Principaux indicateurs de l’efficacité énergétique des matériaux et structures de construction

Les propriétés thermiques des matériaux et structures de construction sont définies par trois indicateurs essentiels (λ, R et U), qui influencent l’efficacité énergétique des bâtiments. Pour choisir la technologie de construction la mieux adaptée aux exigences modernes en matière d’économie d’énergie, il est nécessaire de comprendre les différences entre ces indicateurs et les propriétés des structures qu’ils déterminent.

Ces trois paramètres sont étroitement liés. Le coefficient de conductivité thermique λ caractérise le matériau, tandis que la résistance thermique R et le coefficient de transmission thermique U dépendent de λ et concernent les propriétés des structures de construction.

Qu’est-ce que la conductivité thermique et le coefficient de conductivité thermique λ ?

La conductivité thermique – c’est la capacité des corps à transmettre l’énergie thermique des parties plus chaudes vers les parties plus froides. La conductivité thermique est définie par la quantité de chaleur qui traverse une unité d’épaisseur d’un matériau par unité de temps.

Le coefficient de conductivité thermique λ – c’est une mesure exprimant la capacité d’un matériau d’une épaisseur de 1 mètre à transmettre une quantité de chaleur, en joules, en une seconde, lorsque la différence de température entre les deux surfaces opposées du matériau est de 1 degré Kelvin ou Celsius. Il s’exprime en W/(m∙K).

Coefficient de conductivité thermique λ

Dans la majorité des cas, le coefficient λ est déterminé expérimentalement en mesurant le flux thermique et le gradient de température dans le matériau étudié. Il dépend non seulement du type de matériau, mais également de la température, de l’humidité, de la densité, etc.

Valeurs moyennes de λ pour différents matériaux

Les matériaux dotés des meilleures propriétés d’isolation thermique possèdent des valeurs de λ plus faibles. Il convient de noter qu’il existe plusieurs méthodes pour déterminer λ, permettant d’obtenir des valeurs différentes pour un même matériau en fonction des conditions de mesure.

Comparaison des coefficients de conductivité thermique λ pour le polyisocyanurate (PIR) dans une structure murale composée de panneaux sandwich de 100 mm d’épaisseur

Comparaison des coefficients de conductivité thermique λ pour la laine minérale (W), obtenus dans une structure murale en panneaux sandwich d’une épaisseur de 150 mm

1. λ_{0 cal} / λ_{10, A cal perpendiculaire} – valeur théorique minimale calculée
   PIR – en état absolument sec (humidité 0%)
   W – orientation des fibres perpendiculaire à la direction du flux thermique, en état absolument sec (humidité 0%).
2. λ_{10, 0 cal} / λ_{10, A cal perpendiculaire} – pour un panneau sandwich, calculée à 10°C
   PIR – en état absolument sec (humidité 0%)
   W – orientation des fibres perpendiculaire à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 0,5%)
3. λ_{25, 0 cal} / λ_{25, A exp perpendiculaire} – pour un panneau sandwich à 25°C
   PIR – calculée en état absolument sec (humidité 0%)
   W – expérimentale, orientation des fibres perpendiculaire à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 0,5%)
4. λ_{25, A exp} / λ_{25, A exp longitudinal} – pour un panneau sandwich, expérimentale à 25°C
   PIR – en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 2%)
   W – orientation des fibres longitudinale à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 0,5%)
5. λ_{25, A eff exp} / λ_{25, A eff exp longitudinal} – valeur effective, pour une structure murale en panneaux sandwich à 25°C
   PIR – en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 2%)
   W – orientation des fibres longitudinale à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 0,5%)
6. λ_{25, B exp} / λ_{10, B exp longitudinal} – expérimentale, pour une structure murale en panneaux sandwich
   PIR – à 25°C, en régime d’exploitation B (humidité jusqu’à 5%)
   W – à 10°C, orientation des fibres longitudinale à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation B (humidité jusqu’à 1%)
7. λ_{10, A decl} / λ_{10, A decl longitudinal} – valeur déclarée (résultat maximal possible en pire condition), pour une structure murale en panneaux sandwich à 10°C
   PIR – en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 2%)
   W – orientation des fibres longitudinale à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation A (humidité jusqu’à 0,5%)
8. λ_{25, B cal} / λ_{25, B cal longitudina}l – valeur calculée, maximale possible normative à 25°C
   PIR – en régime d’exploitation B (humidité 5%)
   W – orientation des fibres longitudinale à la direction du flux thermique, en régime d’exploitation B (humidité 1-2,5%)

Pour les constructions murales en panneaux sandwich, le coefficient déterminant est λ_{25, A eff exp}. C’est pourquoi ce coefficient est toujours indiqué dans les déclarations de conformité des panneaux Ruukki. L’utilisation obligatoire de λ_{25, A eff exp} dans les calculs d’efficacité énergétique des structures des bâtiments s’explique par le fait que la norme DSTU V.2.7-182 réglemente les conditions standard d’essai des caractéristiques de conductivité thermique à une température de 25°C et une humidité du matériau de 0,5% (W) et jusqu’à 2% (PIR). Par ailleurs, dans les pays de l’Union européenne, il est courant de déterminer les caractéristiques de conductivité thermique à une température de 10°C. Par conséquent, en Ukraine, pour les produits fabriqués dans l’UE, il est nécessaire d’obtenir en complément ces indices déterminés à une température de 25°C.

Il convient de noter que pour le calcul de la résistance thermique des structures d’enveloppe extérieures, l’utilisation d’autres coefficients que λ_{25, A eff exp est} erronée. Par conséquent, pour choisir l’épaisseur optimale des panneaux sandwich, il est crucial de comprendre quel coefficient λ est pris en compte par le fabricant. Par exemple, la norme DBN V.2.6-31 stipule que la résistance thermique minimale des enveloppes extérieures pour la zone climatique I doit être R_qmin = 4,0 (m²∙K)/W. Pour que les structures murales respectent les exigences de cette norme, si l’on prend en compte le coefficient déterminant λ_{25, A eff exp}, il est nécessaire d’utiliser des panneaux sandwich en laine minérale Ruukki d’une épaisseur de 150 mm. Cependant, si l’on se base sur le coefficient plus «publicitaire» λ_{0 calc}, une épaisseur de 120 mm semble suffisante, mais en réalité, cela ne correspond pas aux exigences. Ainsi, il est important de prêter attention non seulement à la valeur numérique de λ, mais également au type de coefficient fourni par le fabricant. Sinon, dans une recherche d’économie, on risque de choisir une épaisseur incorrecte des panneaux sandwich, ce qui entraînera des coûts accrus pour le chauffage et la climatisation au cours de l’exploitation du bâtiment.

Qu’est-ce que la résistance thermique R?

La résistance thermique R représente la capacité d’une structure à s’opposer à la propagation du mouvement thermique des molécules. La valeur R indique dans quelle mesure une structure d’une certaine épaisseur résiste à la transmission de chaleur à travers elle-même. Elle est déterminée par la différence de température en degrés Kelvin ou Celsius entre les surfaces opposées de la structure, nécessaire pour transférer une puissance énergétique de 1 W à travers 1 m² de cette structure. Elle s’exprime en (m²∙K)/W.

Pour calculer la résistance thermique d’une structure d’enveloppe multicouche thermiquement homogène R_∑, on utilise une formule qui prend en compte les différents matériaux de la structure ainsi que les coefficients α_I (interne) et α_E (externe).

Pour une compréhension simplifiée, on peut dire que la résistance thermique R correspond à l’épaisseur d’un matériau en mètres divisée par son coefficient de conductivité thermique λ, qui indique dans quelle mesure ce matériau résiste au transfert de chaleur pour une épaisseur donnée. Ainsi, plus une structure est épaisse et plus les coefficients de conductivité thermique de ses matériaux sont faibles, plus elle est énergétiquement efficace.

La résistance thermique équivalente R_∑eq prend en compte toutes les pertes de chaleur réelles à travers la structure d’enveloppe, y compris dans les zones des assemblages par emboîtement, des jonctions angulaires, des ponts thermiques, des pertes ponctuelles, des éléments de fixation, et autres. Sur la base de données expérimentales mesurant la résistance thermique équivalente d’une structure spécifique, le coefficient λ_{25, A eff exp est calculé}. Ce dernier est ensuite utilisé pour déterminer R_∑eq pour des structures similaires en cours de conception.

Le calcul de R_∑eq pour une structure d’enveloppe opaque thermiquement hétérogène est effectué à l’aide de la formule suivante:

La norme DSTU V.2.6-189 stipule que dans la conception des structures d’enveloppe, il est obligatoire de respecter la condition R_∑eq ≥ R_qmin.

L’épaisseur calculée des structures murales composées de matériaux différents pour atteindre une résistance thermique R = 4,0 (m²∙K)/W

Une structure ayant une meilleure isolation thermique permet d’atteindre la valeur de R requise avec une épaisseur minimale et conserve la chaleur de la même manière que des structures plus épaisses, tout en permettant de gagner de l’espace à l’intérieur du bâtiment.

Résistance thermique R et coefficient de transmission thermique U

Qu’est-ce que le coefficient de transmission thermique U?

Le coefficient de transmission thermique U est la quantité de chaleur en joules qui traverse une structure d’une surface de 1 m² en 1 seconde, lorsque la différence de température entre les surfaces opposées est de 1 degré Kelvin ou Celsius.

La valeur de U est inversement proportionnelle à la résistance thermique et se mesure en W/(m²∙K).

Le coefficient de transmission thermique montre la capacité d’une structure à transférer la chaleur d’un espace plus chaud vers un espace plus froid, ou entre l’environnement extérieur et l’intérieur du bâtiment. Plus la valeur de U est faible, meilleure est l’isolation thermique du bâtiment.

Il existe également une formule plus détaillée pour déterminer U, qui prend en compte toutes les pertes réelles de chaleur à travers les structures extérieures, mais les résultats de ce calcul sont identiques à ceux obtenus avec la formule simplifiée.

Où trouver λ, R et U?

Les fabricants de structures de construction isolantes doivent fournir des informations sur λ, R et U dans la description des produits, qui est disponible publiquement, ou dans les déclarations de conformité, si leur présence est requise par la législation en vigueur. Par exemple, le coefficient de conductivité thermique λ, la résistance thermique équivalente R et le coefficient de transmission thermique U pour les panneaux sandwich Ruukki sont indiqués dans les déclarations disponibles sur le site Web de Rauta. Les caractéristiques d’isolation thermique déclarées des panneaux doivent être confirmées par des protocoles d’essais de certification, qui doivent également être disponibles auprès du fabricant. Malheureusement, en Ukraine, de nombreux fournisseurs de panneaux sandwich ne se préoccupent pas de la confirmation des caractéristiques d’isolation thermique par des tests et des calculs, et déclarent des valeurs inventées.

Outre la détermination des paramètres des structures de clôture lors de la conception, les indicateurs λ, R et U sont également utilisés pour le calcul de l’efficacité énergétique des bâtiments et le contrôle des paramètres thermiques pendant l’exploitation.

Dans certains cas, les structures de clôture peuvent avoir une configuration complexe et, par conséquent, il peut être difficile de déterminer les paramètres d’isolation thermique. Dans ce cas, il est recommandé de contacter le fabricant des matériaux pour obtenir de l’aide dans le calcul de l’efficacité énergétique du bâtiment.